автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Утилизатор регенератор с вращающимися воздушными камерами для систем кондиционирования

СЛЮТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ХОЛОДИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи УДК 66.045.1:66.012.37

ИМАД ЗЬДДАИ ИБРАХИМ ХАСАН

УТИЛИЗАТОР РЕГЕНЕРАТОР С ВРАЩАЮ#ШСЯ ВОЗДУШНЫМИ КАМЕРАМИ ДЛЯ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ

Специальность 05.04.03 - Машины и аппараты холодильной и криогенной техники и систем кондиционирования

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1992

Работа выполнена в Санкт-Петербургском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте холодильной промышленности

Науч>шй руководитель - доктор технических наук, профессор ИВАНОВ 0.11.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КИСЕЛЕВ И.Г.

Кандидат технических наук, доцент ШИРЯЕВ Ю.Н.

Ведущая организация - Промстройпроект

1992 г.

в у У часов на заседании спецк лиаированног'о совета К 063.02.GI в Санкт-Петорбургском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте холодильной промышленности.

Защита диссертации состоится " у / часов на заседании спецк дивиртваннотосов!

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, Ученый Совет СПГИХЦ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " 1992 г.

Ученый секретарь ^

специализированного совета

кандидат технических наук -у АКУЛОВ Л. А,

' '' . / 3 ОБЩАЯ ХЛРАСГЙРИСГИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные технологические процессы предъявляют чрезвычайно высокие требования к тмим параметрам воздуха, как влажность, температура и даже скорость движения воздуха. Предстар-ения о комфорте и хороших условиях труда также неотделимы от понятия теплового комфорта, а значит и от необходимости под-держ?чия параметров воздуха в строго регламентированных диапазонах, причем в ряде случаев именно системы жизнеобеспечения изолированных объектов, куда входят и системы кондиционирования воздуха (далее СгШ) диктуют общие конструктивные и технологические решения.

Любая СЛБ, забирающая наружный воздух,нагревает либо охлаж -дает, осушает или увлажняет его, в конце концов сбрасывая наружу воздух имеющий параметры отличные от параметров наружного воздуха. Такая ситуация предоставляет широкие возможности для утилизации теплоты, тем более привлекательны1 , что по последним данным для России, на нужды вентиляции, отопления и-кондиционирования воздуха тратится около 30 % от общего энергопотребления.

Разработан ряд теплоутилизационных устройств типа воздух-воздух, применяемых в СКВ:

1 - пластинчатые теплообменники,

2 - вращающиеся теплообменники,

3 - теплообменники типа тепловая труба,

4 - змеевиковые теплообменники с промежуточным хладоносителем,

5 - змеевиковые теплообменники с непосредственным кипением.

Существует обширная литература посвященная как теплообменникам типа газ-газ, так и регенеративным теплообменникам. Однако в данной работе мы ограничимся рассмотрением только регенеративных теплообменников с вращающимися воздушными камерами (далее РГ1Ш), в связи с чем необходимо отметить работы Иванова О.П. и Чачанидзе М.гС. (СЕГГИХП), предложивших данную конструкцию вращающегося регенератора (см. рис. I). Литература по теплообмену также уделяет много внимания анализу эффективности работы теплообменников, и-поль-зуя различные коэффициенты эффективности. Наиболее привлекательным представляется использование различных модификаций энтропийного или'эксергетического анализа. Из большого числа работ по этой теме х^елось бы отметить работы Иванова О.П. (СГГГИХП), посвященные эксергетическсму анализу и работы А. , посвященные энтро-

пийному анализу работы теплообменников.

П^Г]

Цель работы. Основной целью настоящей работы является исследование РЕВйС, работающего в режимах, характерных для СКВ с учетом изменения температуры как по "сухому", так и по "мокрому" термометрам, а также разработка типоразмерного ряда для РГВВгС.

Научная новизна работы. Научная новизна предлагаемой к рассмотрению диссертации состоит в следующем:

- энтропийный метод оценки эффективности работы РТВ£К с использованием удельного приращения энтропии,

- результаты и обобщения данных экспериментальных исследований РГВШ,

- математическая модель Р1ВВЛ и результаты машииного эксперимента.

Результаты работы. Исследована конструкция РГВВК, создана его математическая модель. На основании экспериментов разработана методика расчета РТВВК с использованием числа единиц переноса (/✓т и ) и разработаны рекомендации по выбору материала насадки.

Практическая ценность. Предложена новая, более перспективная методика расчета РТВВК, проведен анализ влияния на эффективность его работе различных материалов насадки. Предложена новая энтропийная методика оценки эффективности работы РТВВК с использованием величины удельного прироста энтропии. Разработан типоразмерный ряд.

• Об :;м работы и ее структура. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов, списка использованной литературы из 50 наименований работ, 63 таблиц, 53 рисунков и 6 приложений. ■

В главе I представлен обзор литературы по изучаемой тематике.

В главе 2 дан теоретический анализ работы РГВШ.

В третьей главе описаны методика эксперимента и эксперимен -тальный стенд.

4 глава посвящена обработке и интерпретации экспериментального материала.

В 5 главе представлена математическая модель и результаты машинного эксперимента и приведен типоразмерный ряд на базе РТВШ для производительности от 10 тм3/ч до 250 тм3/ч.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Конструкция РГВШ приведена на рис. I. Для упрощения расчетов было принято равенство расходов воздуха в обоих воздушных камерах, что вполне приемлемое допущение для РГВШ, работящего в составе СКВ (т.е. количество наружного воздуха, подаваемого в

поме!,зние равно количеству воздуха, сбрасываемого наружу).

Методика теплового расчета. Традиционно тепловой расчет теплообменников базируется на понятии среднелогарифмического температурного напора От :

Ц - К ■ Р • 0л (I)

где 0 - количество переданной теплоты, |< - коэффициент теплопередачи, Р - поверхность теплообмена. Поскольку в нашей работе мы имеем дело с вращающимся регенератором, то выражение для К примет следующий вид

К - , \ < ' , (2)

о/.гТг с£*Тх

где об г и - коэффициент" теплоотдачи горячего и холод-

ного потоков соответственно, Тг ~ длительность периода нагрева, - длительность периода охлаждения. Среднелогарифмическуга разность температур можно выразить следующим образом

В*« £ (¿Ых, (з)

о

или

(4)

О - Д^и

—;-т— /

п

А Х-

I Д хм

где Дхь - максимальная разность температур в теплообменнике,

Д "Ьи - минимальная разность температур в теплообменнике. Другая методика расчета предполагает использование термической эффективности и числа единиц переноса ( ^ТЦ ). Характеристикой работы РТВШ является степень регенерации теплоты или термическая эффективность , определяемая следующим образом, например для охлаждения

где "Ьп - температура на входе, горячей среды,

"Ьм и /г.- температуры на входе и выходе холодной среды, либо

I *

1.Х1 - 1х*

Ь*" / I"" /

ь СП - 1л

где (.г-) - энтальпия на-входе горячей среды,

1*1 и - энтальпии на -ходе и выходе холодной среды.

С другой стороны эффективность можно выразить через число единиц переноса

*} "ги (. 4 \

Г 1-МТи ( 9 ('Имс /У/еюи.) / = <6)

Здесь ИШ'Мии-СйасП./

гдо Ми- и Си»*- " м^сса и теплоемкость насадки соответственно, (I - частота вращения насадки,

эффективность чисто про к-.воточного аппарата, при условии, что УЛ- = V/* . > г-Зная входные параметры сред и эффективность аппарата можно получит-- выходные их параметры.

График зависимости степени регенерации (эффективности регенератора) от числа единиц переноса представлен на рис. 2.

Энтропийный метод оценки эффективности работы РТВВК

Рассмотрим противоточный теплообменник. Существуют два вида необратимых потерь в аппаратах. Первый связан с конечной величиной поверхности теплообмена, а второй с аэродинамическим трением. В общем случае приращение энтропии определяется следующим об-

разом

Л Б - Мл {Срл/пГТо/Г.-)-» "к,/« СРО/рО^ + (7)

. * и, [ Ср*./.п (То/ц и (Рр/Р^] ,

причем |^(Р./р;) -р./.« (4-др/р().

Здесь Я - газовая постоянная, |э - давление, М - массовый расход, а индексы I и 2 отмоется к разным потокам. Кроме того можно записать следующее

aS = Wm;„ [L[i\ i^H/r]-

-т.лр./ср* -izüpz/fcp.z;] ,

где 1= R/p для идеальных газов Г -'Ti гД,, Л |5 ■- Ъf R1 j) 1 j>/j)е,

•f -0,019 дм Re >2200 f-4G/Re для Re<220Ü,

гдо

Re - критерий Рейнольдса, V - скорость,

- эквивалентный диаметр,

^ - кинематическая вязкость,

- фактор трения,

Cp-Cpi+dLC

1>п либо Lp -Cj>t для случая сухого теплообмена. Это общеэ выражение для изменения энтропии, применимое для идеальных газов. Можно ввделить три составляющих элемента удельного приращения энтропии Мь , Nm и fJq . Под удельным изменением энтропии понимается следующее выражение

■ (9)

Выделим три составляющие Ns

Nc,= Ni.P Nse. <I0)

где |\|sp = -Ц Afi/Cp-, -Ii. Apz/fzcpi) ,

+ Vz 5Ш^НЩ^'Щ

lj-% (UrJ,)/[%(Jn -Ti,)] = ^(r.-ToO/W^-TiJJ

. Кроме того общее приращение энтропии можно выразить следующим образом

д VQ(I/tm-I/Tu>) ,

тогда

Максимальное приращение энтропии можно определить где Л о пих ~ К ¿t\

(P./PJ- .

Удельное приращение энтропии ^ ^ определяется следующим образом

Nw» * Л S /Д S tY,JL* ,

отсюда

N* BAS/[Q(l/TH -\/li ) +M1 AS^x+HaASimw

lia рис. 3 дана эаьисимость 14% от IJ^ для различных значе-ьий отношения входных температур при постоянном отношении водяных эквивалентов.

Экспериментальные исследования. Представленный на рис. I РТВШ был испытан в составе экспериментального стенда для определения его теплотехнических и аэродинамических характеристик. Схема стенда приведена на рис. 4. Стенд оснащен необходимым для проведения измерения оборудованием. Цифрами обозначены:

18 и 19 - вентиляторы подачи горячего н холодного воздуха,

16 - нагреватель,

14 привод, вращающий воздушные камеры,

10 - перегородка, разделяющая воздушные камеры.

В качестве теплоаккумулирупщей насадки были использованы алюминиевые шарики диаметром 6 мм.

Результаты эксперимента были обобщены в виде графшов и эмпирических уравнений. На рис. 5 представлена зависимость эффзктив -ности от числа единиц переноса для различных объемных расходов воздуха. Рис. 6 демонстрирует грас[>1к зависшости одела Mu от одела единиц переноса. Рис. 7 показывает влияние NTLI на •

Математическая модель аппарата и машинный эксперимент

В приложении к изучаемому аппарату методика расчета выглядит следующим образом.

Зная геометрии аппарата расчитываем критерии Гейпольдса, учи-

тывь^щий движение воздуха

Wb■ Du./(£ -уи ) где Wh=V p/Fr^T,

i - коэффициент nopo3i.jCTii (а нашем случае 0,175),

диаметр шариков, р - плотность воздуха, м - динамическая вязкость.

Затем расчитываем критерий Рейнольдса, учитывающий вращение воздушных камер

Re^ri-Dcp7-//^., где Ii - число оборотов,

3)tf> = ( Dmp - Д)ьи )/2 - средний диаметр насадки. Вычислив оба критерия можно юассчитать критерий Нуссельта, по эмпирической формуле

где

WlA/ Wnu = I в нашем случае, здесь Y/дИ Wnic - отношение водяного эквивалента насадки из алюминия к водяному эквиваленту насадки. Вычисляем коэффициент теплоотдачи для обоих потоков и общий коэффициент теплопередачи

=> Nu ■ tmL-3>iu '

lr = _J__

Vot-г + Volx ' где А им, - теплопроводность воздуха.

Теперь можно вычислить число единиц переноса

Ити-fc-P/vW

И эффективность теплопередачи по формуле для противотока

cL

п ИТ II .__1

Г 4+КТЦ I1

Зная эффективность теплопередачи легко вычислить температуру обоих сред на .¡ыходе из теплообменника

Тхо = Тх! + З^гпа* ^ (

здесь разность температур на входе.

Приведенная расчетная процедура реализована программно на языке М!сгОУ)^ С6.0 Для совместимых компьютеров.

По составленной программе был проведен машинный эксперимент с целью проверки адекватности модели и изучения поведения РТВВК. Расчеты проводились для двух размеров воздушных камер (> I м и & 2 м. Изменялся также материал насадки. На рис. 8 дан график зависимости зффектир"ости от числа единиц переноса на основании результатов машинного эксперимента.

вывода

Анализ, основанный на понятии эф{)ективности регенератора и удельном увеличении энтропии, проведенный с учетом изменения расходов воздуха и температур сред позволяет выбрать конструктивные решения блоков утилизации теплоты.

В работе выявлены основные преимущества предлагаемой конст -рукции, где насадка является неподвижной, а вращаются воздушные камеры.

Предлагается оригинальная методика теплового энтропийного анализа работы РГВШ, основанная на разделении общего роста энтропии на отдельные составляющие, отражающие различные стороны функционирования теплообменника. Это позволяет проводить целенаправленное изменение режимов работы и конструкции РГВШ для минимизации потерь.

" Проведенные экспериментальные исследования позволили исследовать работу аппарата в различных режимах. Изменялся расход ьоздуха, его температура по сухому и мокрому терлометрам, а также частота вращения ротора. В ходе экспериментов был получен максимум эффек -тивности теплопередачи при частоте вращения от 8 до 12 об/мин для всех значений расходов и температур воздуха, что можно считать он-

тимальным для РТВВК.

Понижение частоты вращения ведет к большим колебаниям температуры насадки, а следовательно к увеличению необратимых потерь при теплообмене, а повышение за пределы указанного диапазона также снижает эффективность вследствии повышения расхода энергии на привод.

На основании экспериментальных данных также получено крите -риальное уравнение, описывающее теплообмен в РГВВ1С учетом вра -щения воздушных камер. Получено также критериальное уравнение для гидравлических потерь в теплообменнике, причем минимум потерь также соответствует частоте вращения 10 об/мин.

На основании критериальных уравнений, полученных ранее, можно провести численные эксперименты, варьируя режимы работы РГВ1М гораздо шире, чем это возможно в реальных экспериментах. Нами исследованы различные виды материала насадки - алюминий, медь, стекло и камень и различные диаметры воздушных камер (I и 2 метра). В результате эксперимента можно сделать выводы об оптимальном материале насадки, которым, по нашим результатам, является стекло или камень.

Весь комплекс проведенных исследований демонстрирует перспективность предложенной конструкции теплообменника, а также большую ее экономичность по сравнению с базовым вариантом.

«С '

швдныи ¿таух

т:

горцчии ¿озЗчк

Рис. I. Конструкция регенеративного теплообменника

1 - насадка цилиндрическая,

2 - потокоразделитель,

3 - ось,

4 - воздушные камеры,

5 - воздуховоды,

6 - основание насадки

Рис. 2. Зависимость эффективности регенератора от числа единиц переноса

Л/5

5)

5? 0.10

о

£

о.а

0.0$

и

5 О.ОЬ

0.02

0.0

2*1

/

1 / ••

/ у

/ \

\

\

\

\

Г=1

га 4а 60 80 _ »/„

)т<ректи£насТб теплопере&чи

Рис. 3. Удельное увеличение энтропии в зависимости от эффективности теплопередачи для различных отношений входных температур при постояклом значе -нии отношения водяных эквивалентов

Рис. 4,. Схема экспериментального стенда

число единиц перенося

Рис. 6.

Зависимость эффективности регенератора от числа единиц переноса

На, 20

19 И

П 16 15 14 11 12

* V \

ч V

X .¿л

X х

X.

^Х X

\

1 *

ик ¿.¡о г.2б гм гм глм мо 5.о$ нти число единиц переноса.

Рис.

Влияние числа единиц переноса на число Нуссельта для удаляемого воздуха

число единиц переноса.

Рис. 7.

Влияние числа единиц переноса на удельный рост энтропии